Componentes de projeto de um biorreator de tanque agitado
Para atingir o cumprimento dos objetivos descritos, um tanque agitado ou biorreator tipo CSTR (ver figura) deve possuir em seu projeto os seguintes componentes básicos:
figura.
Um sistema de agitação consiste em quatro partes mecânicas:
Motor de Acionamento: fornece energia ao eixo de potência; Deve ser de corrente alternada (CA), preferencialmente de indução e sua potência deve ser calculada para suportar o dobro (200%) da potência teórica necessária para agitar o fluido e a cultura em Re≥3000. Motor de Indução (A.C): já que um biorreator deve operar continuamente durante todo o processo de cultivo; é necessário um motor capaz de suportar longos períodos de operação contínua e trabalho árduo; Portanto, o motor deve ser de indução de corrente alternada (CA) e deve ser blindado, preferencialmente em aço inoxidável.
Eixo transmissor de potência: é uma barra cilíndrica fabricada em aço inoxidável 316L e geralmente é projetada nos diâmetros padrões: ¾”, ½”, etc., para maior facilidade de ajuste aos padrões de motores CA. Seu comprimento depende da profundidade do contêiner (tanque).
Acoplamento do Eixo do Transmissor: ajusta e fixa o eixo de transmissão de potência ao motor. Existem dois tipos de acoplamento:
Acoplamento adaptador tipo furo: A porta de entrada é fixada ao eixo do motor por fixação direta. A porta de saída é um dispositivo que se adapta a vários diâmetros de broca e segura ou abraça firmemente o eixo de transmissão de força por pressão e abrasão; semelhante ao usado por furadeiras mecânicas.
Ajustador de acoplamento tipo rosca de parafuso: A porta de entrada “rosca” ou é fixada com segurança ao eixo do motor. A porta de saída é um dispositivo que “abraça” o eixo de transmissão de energia por meio de um mecanismo de rosca.
Em ambos os casos, o diâmetro da porta de entrada do acoplamento, que é a ligação entre o acoplamento e o eixo do motor, deve ter diâmetro interno igual ao diâmetro externo do eixo do motor e o diâmetro da porta de saída, que é o dispositivo de fixação do eixo de transmissão de potência, deve ser igual ao diâmetro externo do respectivo eixo.
Porta de entrada do biorreator: A superfície física na qual está instalado um dispositivo de entrada ou saída do biorreator, uma âncora ou um dispositivo mecânico ou de medição, é chamada de porta; A porta é o meio pelo qual tal dispositivo ou artefato é ajustado ou fixado na parede ou superfície do tanque ou biorreator. Como pode ser visto na fotografia, a porta de entrada é a tampa ou face superior do tanque do biorreator e onde estão ancorados ou mantidos todos os dispositivos e periféricos necessários ao seu funcionamento. Cada dispositivo de ancoragem ou fixador possui também uma porta menor cujo diâmetro externo é a superfície externa total e cujo diâmetro interno é o diâmetro externo do dispositivo que ele fixa. Algumas portas possuem dois diâmetros internos, quando o dispositivo que elas seguram possui diâmetro externo e diâmetro interno; por exemplo, os sensores ou sondas de medição e o selo mecânico do eixo do agitador.
Vedação Mecânica: sua função é tripla: evitar contaminação, manter o sistema hermético e servir como amortecedor de fricção. O selo mecânico também deve permitir a esterilização in situ do biorreator, utilizando linha de vapor superaquecido. Um selo mecânico é geralmente projetado em uma de duas configurações:
Cartucho rígido: permite que o eixo de força role através de um suporte de corpo rígido que veda e isola a passagem de qualquer matéria para dentro do tanque.
Cartucho flexível: permite que o eixo de transmissão role através de um suporte fixo por fora, mas flexível por dentro e que também veda e isola a passagem de contaminantes para dentro do tanque.
Em ambos os casos o selo mecânico é especificado de acordo com o diâmetro eterno do eixo transmissor de potência; que é o diâmetro interno da porta do selo mecânico. Se possível, recomenda-se a utilização de vedações flexíveis, pois amortecem melhor as vibrações mecânicas do eixo transmissor de potência; A desvantagem é que esta flexibilidade obriga a trocá-los com maior frequência, uma vez que o desgaste é maior.
Eixo Transmissor de Potência: transmite a potência do motor ao impulsor, através das pás agitadoras. Existem eixos nos quais já estão incorporadas lâminas ou lâminas de agitação; eles são projetados para operar em um dos dois sistemas de fluxo, dependendo da orientação espacial das pás ou aletas:
Fluxo axial: proporcionam maior eficácia de mistura (distribuição) e reduzem a potência de mistura necessária, distribuindo melhor a mistura; Suas folhas ou lâminas são planas.
Fluxo radial: gera maior potência de mistura (turbulência) e pode causar danos às células; Suas folhas ou pás são do tipo hélice.
Impulsores: são os dispositivos que acionam o fluido e o movimento, por meio de pás ou pás fixadas no eixo de transmissão de potência; Podem ser do tipo mecânico (agitador) ou hidráulico (turbina).
Agitadores: é um impulsor composto por pás agitadoras ou pás conectadas ao eixo de transmissão de potência; Eles podem ter uma distribuição de fluxo axial ou radial.
Os propulsores de fluxo radial podem ter uma variedade de formatos e designs; Dentro destes, as hélices são as mais utilizadas.
Hélices: Existem três designs básicos que dependem da orientação espacial:
(a) – Plano XY,.
(b) – Plano ZX,.
(c) – Plano ZY.
Cada orientação (plano) descreve uma superfície curva que é determinada por dois (2) de três (3) ângulos de projeto:
(a) Plano XY, determine o ângulo de inclinação (α), este varia 15' ≤ α ≤ 45';
(b) Plano ZX, determina o ângulo de torção (β), este varia 16' ≤ β ≤ 32';
(c) Plano ZY, determina o ângulo de tensão (γ), este varia 15' ≤ γ ≤ 45'.
Como pode ser visto na figura:
(a) – Hélices de superfície curva no Plano XY são determinadas pelos ângulos α, β;.
(b) – Hélices de superfície curva no Plano ZX são determinadas pelos ângulos α, γ;.
(c) – Hélices com superfície curva no plano ZY são determinadas pelos ângulos γ, β.
Devido à sua grande potência e à turbulência que geram, as hélices não são recomendadas para culturas de células sensíveis; Devem ser utilizados apenas para culturas bacterianas ou fúngicas e em baixas velocidades de rotação.
Turbinas: é um impulsor de fluxo axial que funciona como uma centrífuga que distribui o fluxo de líquido através de pás planas, para todo o volume de fluido.
O impulso axial provou ser a forma de projeto mais eficiente para reduzir as tensões de cisalhamento e hidrodinâmicas e reduzir a turbulência e a potência necessária para homogeneizar a mistura; objetivo que é perseguido em uma combinação perfeita. É por isso que os impulsores de fluxo axial são recomendados para a cultura de células sensíveis ou de membrana plasmática. Dentre estes, a turbina Rushton (b) é o impulsor de fluxo axial mais recomendado e mais eficiente para gerar uma mistura perfeita com alto perfil hidrodinâmico, baixas tensões de cisalhamento e alta distribuição.
E um de controle:.
Controle de velocidade do motor: Os motores de indução CA possuem velocidades nominais de rotação de 1800rpm ou 3600rpm. Estas velocidades são muito elevadas para sistemas biológicos causando a destruição de células e microrganismos em cultura. A velocidade de rotação do motor deve então ser reduzida para um máximo de 600 rpm (rotações por minuto) para não causar danos às células. Uma caixa de redução de 1/3 ou 1/6 geralmente é acoplada à saída do eixo do rotor para diminuir a velocidade de rotação para 600 rpm. Além disso, um controle de velocidade que pode ser analógico ou digital é colocado no motor para um controle mais preciso e preciso da velocidade de rotação.
Mexendo e misturando.
Relações de potência e mistura: à medida que o diâmetro da lâmina (Dd) aumenta, aumenta também a potência (Pt) necessária para realizar o trabalho de mistura; A potência de mistura (Pm) é maior porque o torque (τ) aumenta. Lembre-se que o torque é a relação entre a força (F) e o braço de alavanca (r) e que o braço de alavanca é o diâmetro da lâmina ou lâmina cujo momento (mv) aumenta à medida que a velocidade de rotação (ω) aumenta. Assim, quando Dd é muito grande, ω deve ser diminuído para reduzir Pt; mas isso faz com que Pm também se contraia; bem como turbulência excessiva. Caso contrário, ocorre quando Dd é muito pequeno, ω deve ser aumentado para melhorar Pm e prolongar a turbulência, pois, nestes casos, ela é localizada (acumula-se ao redor das pás e pás). Esse fenômeno local conhecido como força fluida (Pf) faz com que o volume de líquido afetado pela turbulência local (Rex) não seja suficiente para oxigenar os tecidos e células em cultura, uma vez que o Kla diminui. Para que o Pf seja transmitido a todo o volume operacional do fluido, é necessário que o estado estacionário (EE) seja alcançado na referida operação, e isso leva muito tempo, o que implica em um custo elevado.
A melhor forma de combinar positivamente estes efeitos hidrodinâmicos opostos; Ou seja: diminuir Pm e aumentar Pf é otimizar Dd. Isto é conhecido como potência de mistura ideal (Pe) e é alcançado de duas maneiras:
A primeira alternativa minimiza a potência de mistura necessária e maximiza a potência do fluido, fazendo melhor uso do gradiente de mistura. O segundo aumenta a potência de mistura e a potência do fluido, mas também a potência necessária e desperdiça o gradiente de mistura e difusão.
Uso de Baffles: são uma melhoria amplamente utilizada, pois podem ser facilmente instalados em sistemas de agitação, reduzem (desviam) a turbulência causada pelas pás ou pás do impulsor, quebram (desintegram) os aglomerados de células e micélios que se formam nas respectivas culturas e melhoram a eficiência da mistura. A proporção ideal entre o diâmetro do defletor (Db ou J) e o diâmetro do tanque (Dt) é: Db/Dt = 1/10–1/12. O número indicado de chicanas é 4 para sistemas moderadamente agitados e 6 para sistemas turbulentos.